Le mécanisme complexe qui sous-tend les horloges circadiennes peut être attribué à un réseau complexe de gènes et de protéines qui forment un système interne de chronométrage au sein des organismes. Le principal moteur des rythmes circadiens est un ensemble de gènes appelés gènes d’horloge. Ces gènes codent pour des protéines qui régulent l'expression d'autres gènes selon un schéma rythmique, créant une boucle de rétroaction moléculaire qui oscille environ toutes les 24 heures. Voici une explication simplifiée du fonctionnement des horloges circadiennes :

1. Gènes de l'horloge :Au cœur de l'horloge circadienne se trouve un groupe de gènes de l'horloge, souvent appelés « gènes de l'horloge centrale ». Chez les mammifères, les gènes d'horloge les plus étudiés sont Clock (Circadian Locomotor Output Cycles Kaput) et Bmal1 (Brain and Muscle Arnt-Like 1). Ces gènes codent pour des protéines qui forment un complexe hétérodimère appelé complexe CLOCK-BMAL1.

2. Boucle de rétroaction transcription-traduction :Le complexe CLOCK-BMAL1 agit comme un facteur de transcription qui régule l’expression d’autres gènes d’horloge. Il se lie à des séquences d’ADN spécifiques appelées E-box au sein des promoteurs de ces gènes horloges, favorisant ainsi leur transcription. Parmi les gènes activés par CLOCK-BMAL1 figurent les gènes Period (Per) et Cryptochrome (Cry).

3. Boucle de rétroaction négative :à mesure que les protéines PER et CRY s'accumulent, elles s'accumulent progressivement dans le cytoplasme et finissent par revenir dans le noyau. Dans le noyau, ils forment des complexes et inhibent l'activité du complexe CLOCK-BMAL1, réduisant ainsi la transcription des gènes Per et Cry. Cette boucle de rétroaction négative entraîne une diminution des niveaux de protéines PER et CRY, permettant au cycle de recommencer.

4. Régulation post-traductionnelle :En plus de la régulation transcriptionnelle, les rythmes circadiens sont également influencés par les modifications post-traductionnelles des protéines de l'horloge. Ces modifications, telles que la phosphorylation et l'ubiquitination, affectent la stabilité, la localisation et l'activité des protéines de l'horloge, contribuant ainsi au timing précis du cycle circadien.

Il est important de noter que l’horloge circadienne ne dépend pas uniquement de ces gènes fondamentaux de l’horloge. D'autres facteurs, tels que les signaux environnementaux (par exemple la lumière), les signaux hormonaux et les entrées neuronales, peuvent également influencer le timing et la synchronisation des rythmes circadiens.

La précision et l’adaptabilité remarquables des horloges circadiennes permettent aux organismes d’anticiper et de répondre aux changements quotidiens de leur environnement, optimisant ainsi leurs processus physiologiques et comportementaux pour leur survie et leur bien-être général.